Zeit, die das Wasser zum Gefrieren benötigt

Vor kurzem habe ich mich gefragt, ob es eine bestimmte Formel gibt, um zu berechnen, wie lange es dauert, bis bestimmte Flüssigkeiten (insbesondere Wasser) gefrieren.

Ich weiß, das hängt ab von:

  1. das Volumen der Flüssigkeit,
  2. die Umgebungstemperatur der Flüssigkeit,
  3. die Oberfläche des Flüssigkeitsbehälters,

Um es nicht zu kompliziert zu machen, gehen wir davon aus, dass die Flüssigkeit von Luft umgeben ist und der Behälter keine Isolierung hat. Dies ist nur aus reiner Neugier, also habe ich keine Berechnungen durchgeführt.

Ja, es ist möglich, wenn Sie die thermische Kopplung vom Wasser zur Umgebung kennen. Wie viele Watt verliert das Wasser beispielsweise pro Sekunde pro Grad über Umgebungstemperatur? Hinzu kommt der erschwerende Faktor, dass Teile vor anderen Teilen einfrieren und in den gefrorenen Teilen keine Konvektion mehr möglich ist. Außerdem wird das kältere Wasser, kurz vor dem Gefrierpunkt, tatsächlich aufsteigen.
Vergessen Sie nicht die Temperatur des Wassers als abhängig. Zum Beispiel wird kochendes Wasser vor gekühltem Wasser schockgefrostet

Antworten (2)

Ja, es ist möglich, aber normalerweise kompliziert.

Wenn Sie eine Wasserkugel bei 0 ° C haben und sie bei einer Temperatur T unter Null in einen Gefrierschrank stellen, dann wäre die Geschwindigkeit des Wärmeflusses aus der Kugel ungefähr durch das Newtonsche Gesetz der Abkühlung gegeben . Wenn die Abkühlrate langsam ist und Sie die Temperatur im Wasser annähern können, ist der Wärmestrom pro Flächeneinheit konstant, während das Wasser gefriert. Die Zeit bis zum Einfrieren wäre die gesamte latente Schmelzwärme dividiert durch die Wärmeflussrate pro Flächeneinheit dividiert durch die Gesamtoberfläche.

Aber selbst in dieser vereinfachten Situation kennen wir die Proportionalitätskonstante im Newtonschen Gesetz nicht, und dies hängt von den Details der Umgebung ab, zB der Geschwindigkeit von Luftströmungen. Das Beste, was wir tun können, ist, Schlussfolgerungen zu ziehen, dass die Gefrierzeit proportional zum Kugelradius ist, weil sie proportional zum Volumen geteilt durch die Fläche ist. Wir sollten auch feststellen, dass die Zeit umgekehrt proportional zur Temperaturdifferenz ist.

Das Leben wird komplizierter, wenn die Abkühlungsrate zu schnell ist, um keinen Temperaturgradienten im Wasser anzunehmen. Zum Beispiel würde sich außen eine Eishaut bilden, und Eis ist ein besserer Isolator als Wasser (weil es im Wasser Konvektionsströmungen gibt). In diesem Fall wäre die Geschwindigkeit des Wärmeflusses (und damit des Gefrierens) umgekehrt proportional zur Dicke der Eishaut.

Eine letzte Komplikation besteht darin, dass Wasser leicht unterkühlt. Sie können nur davon ausgehen, dass das Wasser bei genau 0 ° C gefriert, wenn es kein Hindernis für die Keimbildung von Eiskristallen gibt.

Ja. Sie können das Newtonsche Gesetz der Kühlung anwenden, wenn der Temperaturunterschied zwischen Ihrer Flüssigkeit und der Umgebung weniger als 40 Grad beträgt. Bei einem Temperaturunterschied von mehr als 40 Grad gilt das Stefansche Gesetz

Dies könnte eine nützlichere Antwort sein, wenn Sie die von Ihnen erwähnten Formeln einfügen würden.
Zeit, die das Wasser zum Gefrieren benötigt
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